CN112165336A - 一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和*** - Google Patents

一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和*** Download PDF

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CN112165336A CN202010827249.5A CN202010827249A CN112165336A CN 112165336 A CN112165336 A CN 112165336A CN 202010827249 A CN202010827249 A CN 202010827249A CN 112165336 A CN112165336 A CN 112165336A
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白宝明
周陈
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Abstract

本发明公开了一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和***，所述方法包括：对待发送的信息进行模数转换，获得信源序列；将所述信源序列划分成多个信息块并进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列；利用滑窗对所述多个信息块依次进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则从连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码和译码，若否，则对当前信息块的下一个信息块进行译码，在当前滑窗中的信息块迭代译码完成后，将滑窗移动至下一位置进行译码，直到所有信息块译码完成。本发明的方法可以有效缓解编织卷积码滑窗译码中的错误传播问题。

Description

一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和***
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和***。
背景技术
编织卷积码(Braided convolutional codes，BCCs)首次由W.Zhang等人在论文“Braided convolutional codes:a new class of turbo-like codes”中提出，是近年来出现的一种新型的高效纠错码，是一种并行级联的turbo码，用短约束长度卷积码作为分量码，其中一个分量编码器奇偶校验输出反馈后在随后时间单元用作另一个编码器的输入，两个分量编码器之间的连接由信息符号和奇偶校验符号存储在二维阵列中的位置定义，具有紧密编织和稀疏编织两种类型。与BBCs(braided block codes，编织分组码)类似，当使用密集数组存储信息和校验符号时，会产生TBCCs(tightly braided convolutionalcodes，紧密编织的卷积码)，同样地，在此基础上又提出了SBCCs(sparsely braidedconvolutional codes，稀疏编织的卷积码)，其存储阵列具有较低的密度，从而提高了迭代译码性能。
SBCCs具有类turbo码特性，在迭代译码中表现出良好的收敛性，并且使用马尔可夫置换子进行的统计分析，SBCCs的自由距离随约束长度线性增长，即渐近良好。SBCCs的滑窗译码基于BCJR(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv)算法，可以采用滑动窗口译码(SWD)进行低延迟操作。但是对于帧长较长或者流应用，SBCCs容易受到不频繁但是非常严重的译码器错误传播，一旦发生块译码错误，就会影响接下来的块译码，从而导致连续的块错误串，造成不能接受的性能损失。
逐块SBCC编码会影响下一个块的编码，当目标块被译码时，与译码符号相关的对数似然比(LLRs)也会影响下一个块的译码。在固定的最大译码迭代次数后，一些不可靠的LLR保留在目标块中并导致块译码错误，即造成了错误传输。当错误传输开始后，会导致一系列不可靠的块，造成接受错误。一般来说，对于较大的块，最有可能发生错误传输或单个块错误帧，而对于较小的块，突发错误帧更频繁出现，因此有必要设计缓解技术来抵抗错误传输和突发错误。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了一种具有重新同步机制的滑窗译码方法，包括：
S1：对待发送的信息进行模数转换，获得信源序列；
S2：将所述信源序列划分成多个信息块并进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列；
S3：利用滑窗对所述多个信息块依次进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5；
S4：从连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码和译码；
S5：对当前信息块的下一个信息块进行译码，在当前滑窗中的信息块迭代译码完成后，将滑窗移动至下一位置进行译码，直到所有信息块译码完成。
在本发明的一个实施例中，所述S2包括：
对编码器进行初始化，将所述编码器的两个分量卷积编码器的奇偶校验输出块均设置为0；
将所述信源序列划分成大小相等的多个信息块并在两个分量编码器中进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列。
在本发明的一个实施例中，在所述S2之后还包括：
将所述码字序列送入信道中进行传输。
在本发明的一个实施例中，将所述码字序列送入信道中进行传输，包括：
对所述码字序列进行二进制相移键控调制；
将调制后得到的序列通过加性高斯白噪声信道中传输至译码器。
在本发明的一个实施例中，所述S3包括：
对接收到的码字序列进行解调，将解调后的码字序列送入译码器中；
对所述译码器进行初始化并设置相关译码参数，所述译码参数包括滑窗大小、垂直迭代次数、水平迭代次数和失败信息块阈值；
从当前滑窗最左侧的信息块开始进行译码，并判断所述信息块是否译码失败，在当前信息块译码完成或译码失败后移动至下一信息块；
判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，当信息块连续译码失败的次数达到所述失败信息块阈值时，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5。
在本发明的一个实施例中，所述滑窗大小w＝3个信息块，所述垂直迭代次数I1＝1，所述水平迭代次数I2＝20，所述失败信息块阈值N′r＝2。
在本发明的一个实施例中，判断所述信息块是否译码失败，包括：
令
Figure BDA0002636658480000041
表示当前滑窗中第i个信息块中T个信息位在第j次迭代时的对数似然比，则在第j次水平迭代后第i个信息块中T个信息位的绝对平均对数似然比为：
Figure BDA0002636658480000042
判断t时刻信息块的平均绝对对数似然比是否满足
Figure BDA0002636658480000043
若是，则当前信息块译码失败，若否，则当前信息块译码成功，其中，I1表示垂直迭代的次数，I2表示水平迭代的最大次数，θ为用来判定块失败的预定阈值。
在本发明的一个实施例中，所述S4包括：
对编码器进行重新初始化，将所述编码器的两个分量卷积器的奇偶校验输出块重新设置为0；
利用所述编码器对所述连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码，获得重新编码的信息块；
将所述重新编码的信息块通过加性高斯白噪声信道中传输至译码器；
对所述译码器进行重新初始化；
在所述译码器中利用滑窗对所述重新编码的信息块进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则从当前连续译码失败的信息块的下一个信息块开始继续重新进行编码和译码。
本发明的另一方面提供了一种具有重新同步机制的滑窗译码***，用于执行上述实施例中任一项所述的滑窗译码方法，所述滑窗译码***包括编码模块、传输模块和译码模块，其中，所述译码模块中包括判断单元，所述判断单元用于判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败。
在本发明的一个实施例中，所述编码模块包括两个相同的递归***卷积码分量编码器，两个分量编码器的码率相同，为R1＝R2＝2/3，两个分量编码器共享奇偶性反馈。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的滑窗译码方法能够在出现连续多个信息块译码失败时对后续信息块进行重新编码和译码，避免出现后续连续译码失败，可有效缓解编织卷积码滑窗译码中的错误传播问题。
2、在典型的SNR工作范围内，本发明的的滑窗译码方法的误比特率和误码率均得到了改善。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有重新同步机制的滑窗译码方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种编码器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种译码过程的详细流程图；
图4是现有技术的滑窗译码方法与本发明实施例的方法的仿真实验1结果对比图；
图5是现有技术的滑窗译码方法与本发明实施例的方法的仿真实验2结果对比图；
图6是本发明实施例提供的一种具有重新同步机制的滑窗译码***的结构框图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种具有重新同步机制的滑窗译码方法和***进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种具有重新同步机制的滑窗译码方法的流程图。该滑窗译码方法包括：
S1：对待发送的信息进行模数转换，获得信源序列。
具体地，使用信源处理器对待发送的声音、图像等信息进行模数转换，得到信源序列。
S2：将所述信源序列划分成多个信息块并进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列。
具体地，对编码器进行初始化，将编码器的两个分量卷积编码器的奇偶校验输出块均设置为0；将所述信源序列划分成大小相等的多个信息块并在两个分量编码器中进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种编码器的结构示意图。本实施例的编码器使用两个相同的递归***卷积码(recursive systematic convolutional,RSC)分量编码器，两个分量编码器的码率相同，均为R1＝R2＝2/3，两个编码器共享奇偶性反馈，如图2所示，其中，P(0),P(1),P(2)是每个长度为T的块置换。在具体运行过程中，所述信源序列被划分为长度为T的信息块。信源序列u＝(u0,u1,...ut,...)，其中ut＝(ut,1,ut,2,...ut,T)。在t时刻，ut用P(0)交织形成
Figure BDA0002636658480000071
ut和
Figure BDA0002636658480000072
分别被送入分量编码器1和分量编码器2中。从分量编码器1输出的奇偶校验输出
Figure BDA0002636658480000073
和分量编码器2中输出的奇偶校验输出
Figure BDA0002636658480000074
被延迟一个单位时间，分别使用P(1)和P(2)产生
Figure BDA0002636658480000075
和
Figure BDA0002636658480000076
在t+1时刻分别被送入分量编码器2和分量编码器1中，将信息块ut、编码器1的奇偶校验输出块
Figure BDA0002636658480000077
和编码器2的奇偶检验输出块
Figure BDA0002636658480000078
作为编码块在时间t通过信道发送。需要说明的是，在编码开始前(即t＝0)，对编码器进行初始化，使得
Figure BDA0002636658480000079
优选地，T＝8000，即每个信息块包括8000个信息位。译码器的总码率为R＝1/3，帧长l＝1000信息块，也就是说，信息块传输在1000个信息块的帧译码后停止。
进一步地，在步骤S2之后还包括：将所述码字序列送入信道中进行传输。
具体地，对所述码字序列进行二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制，随后将调制后得到的序列送入加性高斯白噪声(Additive White GaussianNoise，AWGN)信道中进行传输。
S3：利用滑窗对所述多个信息块依次进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5。
具体地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种译码过程的详细流程图。所述步骤S3包括：
S31：对接收到的码字序列进行解调，将解调后的码字序列送入译码器中；
S32：对所述译码器进行初始化并设置相关译码参数，所述译码参数包括滑窗大小、垂直迭代次数、水平迭代次数和失败信息块阈值；
在本实施例中，优选地，滑窗大小w＝3个信息块，垂直迭代次数I1＝1，水平迭代次数I2＝20，失败信息块阈值N′r＝2。
S33：从当前滑窗最左侧的信息块开始进行译码，并判断所述信息块是否译码失败，在当前信息块译码完成或译码失败后移动至下一信息块；
具体地，将当前译码滑窗最左侧的信息块定义为目标块，在此译码滑窗中对该目标信息块进行译码，并判断该目标信息块是否译码失败。在本实施例中，判断信息块是否译码失败的过程包括：
令
Figure BDA0002636658480000081
表示当前滑窗中第i个信息块中T个信息位在第j次迭代时的对数似然比，则在第j次水平迭代后第i个信息块中T个信息位的绝对平均对数似然比为：
Figure BDA0002636658480000082
判断t时刻信息块的平均绝对对数似然比是否满足
Figure BDA0002636658480000083
若是，则当前信息块译码失败，若否，则当前信息块译码成功，其中，I1表示垂直迭代的次数，I2表示水平迭代的最大次数，θ为用来判定块失败的预定阈值。
进一步地，在当前目标信息块译码完成后，移动至下一信息块进行译码；当判断出当前目标信息块译码失败，则计数值加一，随后移动至下一信息块进行译码。
S34：判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，当信息块连续译码失败的次数达到所述失败信息块阈值时，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5。
在本实施例中，失败信息块阈值N′r＝2，也就是说，当连续两个信息块译码失败时，则满足重新同步条件，使用反馈通道启动编码器和译码器的重新同步。
S4：从连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码和译码。
步骤S4具体包括：对编码器进行重新初始化，将所述编码器的两个分量卷积器的奇偶校验输出块重新设置为0；利用所述编码器对所述连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码，获得重新编码的信息块；将所述重新编码的信息块通过加性高斯白噪声信道中传输至译码器；对所述译码器进行重新初始化；在所述译码器中利用滑窗对所述重新编码的信息块进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则从当前连续译码失败的信息块的下一个信息块开始继续重新进行编码和译码。
此译码过程与第一次译码的过程相同，这里不再赘述。需要说明的是，在进行重新译码的过程中，如果再次出现译码失败的次数达到失败信息块阈值N′r＝2，则仍然会触发编码器与译码器的重新同步，即依然会对连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码和译码，同步过程如上所述。
S5：对当前信息块的下一个信息块进行译码，在当前滑窗中的信息块迭代译码完成后，将滑窗移动至下一位置进行译码，直到所有信息块译码完成。
本发明的实施例中模拟了速率R＝1/3的逐块SBCC，比较了本实施例的滑窗译码算法与现有技术没有重新同步机制的滑窗译码算法的BER(Bit Error Rate，误比特率)和BLER(Block Error Rate，误块率)性能，本实施例的滑窗译码算法与现有技术的滑窗译码算法相比，在典型的SNR(Signal-to-noise ratio，信噪比)工作范围内，BER和BLER均获得了大约两个数量级的改善。此外，本发明实施例的方法随着SNR的增加，曲线趋于合并，说明在良好的信道操作条件下，错误传播以及因此对滑窗扩展或重新同步的需求很少见。
随后还对不同失败信息块阈值的情况下，本发明实施例的滑窗译码方法的BER/BLER性能进行比较。
令T＝500个信息位，w＝6，Nr分别取1和2。Nr＝1时单个信息块错误的高频率将仅导致BER和BLER的适度改进，而代价是明显需要更多的重新同步，即增加了译码复杂度。但由于单个块错误的相对稀缺性，Nr＝1的性能略好于Nr＝2，这意味着对于较短的块长度，应在单个目标块满足
Figure BDA0002636658480000101
时立即启动重新同步。
下面结合仿真实验对本发明方法的效果做具体描述：
1.仿真条件：
本发明的仿真实验是在加性白高斯(AWGN)信道上进行的，考虑编码速率R＝1/3的逐块SBCC，该过程使用两个相同的四态RSC分量编码器，每个速率R1＝R2＝2/3，帧长L＝1000块，垂直迭代次数I1＝1，水平迭代次数I2＝20。
2.仿真内容：
该仿真实验对本实施例的滑窗译码算法与现有技术没有重新同步机制的滑窗译码算法的BER和BLER性能以及本实施例的滑窗译码算法Nr值不同时的性能比较进行仿真，进行了仿真实验1和仿真实验2。
仿真实验1中的信息块大小T＝8000个信息位，滑窗大小w＝3，失败信息块阈值Nr＝2。请参见图4，图4是现有技术的滑窗译码方法与本发明实施例的方法的仿真实验1结果对比图，其中，横轴表示信噪比，单位为分贝dB，纵轴表示误比特率/误块率，虚线表示BLER，实线表示BER，Original R＝1/3SBCC表示现有技术无重新同步机制的滑窗译码方法，Resynchronization表示本实施例具有重新同步机制的滑窗译码方法。
由图4的仿真结果可见，在编码速率R＝1/3的逐块SBCC下，在典型的SNR工作范围内，本实施例的滑窗译码方法的BER和BLER获得了大约两个数量级的改善，并且随着SNR的增加，曲线趋于合并，说明在良好的信道操作条件下，错误传播以及因此对窗口扩展或重新同步的需求很少见。
仿真实验2中的信息块大小T＝500个信息位，窗口大小w＝6，失败信息块阈值分别为Nr＝1和Nr＝2。请参见图5，图5是现有技术的滑窗译码方法与本发明实施例的方法的仿真实验2结果对比图，其中，横轴表示信噪比，单位为分贝dB，纵轴表示误比特率/误块率。
由图5的仿真结果可见，Nr＝1和Nr＝2的性能曲线基本重合，即Nr＝1时单个块错误的高频率将仅导致BER/BLER的适度改进，而代价是明显需要更多的重新同步，即增加了译码复杂度。但由于单个块错误的相对稀缺性，Nr＝1的性能略好于Nr＝2，这意味着对于较短的块长度，应在单个目标块译码失败时立即启动重新同步。
本实施例的方法能够在出现连续多个信息块译码失败时对后续信息块进行重新编码和译码，避免出现后续连续译码失败，可有效缓解编织卷积码滑窗译码中的错误传播问题。
实施例二
在实施例的基础上，本实施例提供了一种具有重新同步机制的滑窗译码***，用于执行实施例一中所述的滑窗译码方法。请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种具有重新同步机制的滑窗译码***的结构框图。本实施例的滑窗译码***包括编码模块101、传输模块102和译码模块103，其中，编码模块101用于对信源序列进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列；传输模块102用于将编码后的码字序列进行传输；译码模块103用于对收到的码字序列进行译码。
进一步地，本实施例的译码模块103中包括判断单元1031，判断单元1031用于判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，并且在达到预设个数的信息块连续译码失败后，使用反馈通道启动编码器和译码器的重新同步，使得从当前连续译码失败的信息块的下一个信息块开始继续重新进行编码和译码。具体重新同步过程，请参见实施例一，这里不再赘述。
此外，本实施例的编码模块101包括两个相同的递归***卷积码分量编码器，两个分量编码器的码率相同，为R1＝R2＝2/3，两个分量编码器共享奇偶性反馈。
编码模块101的具体结构请参见图3和实施例一，这里不再赘述。
本实施例的滑窗译码***能够在出现连续多个信息块译码失败时对后续信息块进行重新编码和译码，避免出现后续连续译码失败，可有效缓解编织卷积码滑窗译码中的错误传播问题。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，包括：
S1：对待发送的信息进行模数转换，获得信源序列；
S2：将所述信源序列划分成多个信息块并进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列；
S3：利用滑窗对所述多个信息块依次进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5；
S4：从连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码和译码；
S5：对当前信息块的下一个信息块进行译码，在当前滑窗中的信息块迭代译码完成后，将滑窗移动至下一位置进行译码，直到所有信息块译码完成。
2.根据权利要求1所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，所述S2包括：
对编码器进行初始化，将所述编码器的两个分量卷积编码器的奇偶校验输出块均设置为0；
将所述信源序列划分成大小相等的多个信息块并在两个分量编码器中进行编码，获得由多个信息块组成的码字序列。
3.根据权利要求1所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，在所述S2之后还包括：
将所述码字序列送入信道中进行传输。
4.根据权利要求3所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，将所述码字序列送入信道中进行传输，包括：
对所述码字序列进行二进制相移键控调制；
将调制后得到的序列通过加性高斯白噪声信道中传输至译码器。
5.根据权利要求1所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，所述S3包括：
对接收到的码字序列进行解调，将解调后的码字序列送入译码器中；
对所述译码器进行初始化并设置相关译码参数，所述译码参数包括滑窗大小、垂直迭代次数、水平迭代次数和失败信息块阈值；
从当前滑窗最左侧的信息块开始进行译码，并判断所述信息块是否译码失败，在当前信息块译码完成或译码失败后移动至下一信息块；
判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，当信息块连续译码失败的次数达到所述失败信息块阈值时，若是，则执行步骤S4，若否，则执行步骤S5。
6.根据权利要求5所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，所述滑窗大小w＝3个信息块，所述垂直迭代次数I1＝1，所述水平迭代次数I2＝20，所述失败信息块阈值N′r＝2。
7.根据权利要求5所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，判断所述信息块是否译码失败，包括：
令
Figure FDA0002636658470000021
表示当前滑窗中第i个信息块中T个信息位在第j次迭代时的对数似然比，则在第j次水平迭代后第i个信息块中T个信息位的绝对平均对数似然比为：
Figure FDA0002636658470000022
判断t时刻信息块的平均绝对对数似然比是否满足
Figure FDA0002636658470000023
若是，则当前信息块译码失败，若否，则当前信息块译码成功，其中，I1表示垂直迭代的次数，I2表示水平迭代的最大次数，θ为用来判定块失败的预定阈值。
8.根据权利要求1所述的具有重新同步机制的滑窗译码方法，其特征在于，所述S4包括：
对编码器进行重新初始化，将所述编码器的两个分量卷积器的奇偶校验输出块重新设置为0；
利用所述编码器对所述连续译码失败的信息块的下一个信息块开始重新进行编码，获得重新编码的信息块；
将所述重新编码的信息块通过加性高斯白噪声信道中传输至译码器；
对所述译码器进行重新初始化；
在所述译码器中利用滑窗对所述重新编码的信息块进行译码并判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败，若是，则从当前连续译码失败的信息块的下一个信息块开始继续重新进行编码和译码。
9.一种具有重新同步机制的滑窗译码***，其特征在于，用于执行权利要求1至8中任一项所述的滑窗译码方法，所述滑窗译码***包括编码模块、传输模块和译码模块，其中，所述译码模块中包括判断单元，所述判断单元用于判断是否存在预设个数的信息块连续译码失败。
10.根据权利要求9所述的具有重新同步机制的滑窗译码***，其特征在于，所述编码模块包括两个相同的递归***卷积码分量编码器，两个分量编码器的码率相同，为R1＝R2＝2/3，两个分量编码器共享奇偶性反馈。
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CN114915373A (zh) * 2022-03-28 2022-08-16 西安电子科技大学 一种基于ir-harq的scma加窗联合检测和译码方法

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